本发明属于冶金技术领域，具体地讲，本发明涉及一种高强度耐低温铁路支柱用钢及其制备方法。
背景技术：
在电气化铁路中，接触网是铁路电气化工程的主构架，担负着把从牵引变电所获得的电能直接输送给电力机车使用的重要任务。接触网中最基本、应用最广泛的支撑设备是支柱，用来承受接触悬挂与支持设备的负荷，目前热轧h型钢支柱已基本取代钢筋水泥线杆，因h型钢支柱不仅具有重量轻，强度高，寿命长的优点，而且外形美观，可回收利用，不污染环境。对施工单位来说，施工强度小，速度快，工期短，可以节省大量人力物力，因此是我国未来铁路发展的必然趋势。目前生产的电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢通常为235、345mpa，质量等级为b级，满足20℃常温冲击功要求。但随着我国高速铁路建设和发展需要，高速铁路向寒冷、高寒地区、风沙等地区延伸，这就要求热轧h型钢支柱不仅具有强度高，刚度大，抗弯能力强，还应具有低温韧性好、可焊接性能以及优越的加工性能要求等。
对于我国东北地区及西部风速较大地区的电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢而言，要求其屈服强度达到390mpa、-40℃低温韧性不低于37j。然而，目前的生产方法尚不能满足高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢的要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种力学性能良好的高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢及其制备方法。本发明的热轧h型钢强度高、耐低温韧性好、易焊接，屈服强度≥390mpa，-40℃低温韧性≥37j，能够满足高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢的性能要求。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢，所述热轧h型钢的化学成分的重量百分数为：c0.08％～0.12％、si0.20％～0.50％、mn1.45％～1.60％、p≤0.020％、s≤0.020％、nb0.01～0.03％、v0.05％～0.07％、ti0.006～0.012％，其余为铁和不可避免的微量杂质，控制碳当量≤0.43％。
本发明还提供上述高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢的制备方法，所述制备方法包括下述步骤：
铁水采用kr脱硫，控制脱硫后铁水中的硫含量不超过0.010wt％；
转炉冶炼采用顶底复吹转炉冶炼，造渣方式采用单渣法，在转炉出钢过程中，采用硅钙钡、复合脱氧剂进行脱氧，采用中锰、硅锰、钒氮、铌铁进行合金化；
lf精炼全程底吹氩搅拌，精炼过程中先充分搅拌化渣，用碳化钙、碳化硅、硅钙钡等调整炉渣，造白渣或黄白渣；根据钢种成分需要喂入适量钛铁线，采用终点成分合格后，对钢水进行软吹操作，软吹时间≥8分钟；
在连铸过程中，使用套管式保护浇注工艺，采用近终型异型坯保护浇铸；轧制即得电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢。
进一步地，铁水脱硫所用脱硫剂由石灰粉、萤石等组成，根据铁水原始硫含量加入脱硫剂量为5～10kg/t，控制脱硫后铁水中的硫含量不超过0.010wt％。
进一步地，在转炉冶炼工序采用顶底复吹转炉冶炼，造渣方式为单渣法，终渣碱度cao％/sio2％控制在3.0～4.0；渣料于终点前3分钟加完，全程渣子化好、化透，终点压枪时间≥1分钟；采用硅钙钡、复合脱氧剂脱氧，采用中锰、硅锰、钒氮、铌铁进行合金化，当钢水出至1/4时开始均匀加入，钢水出至3/4时加完；放钢后加入合成渣，加入量为5～15kg/t。
进一步地，在lf精炼工序中，全程底吹氩搅拌；用碳化钙、碳化硅、硅钙钡等调整炉渣，出站前顶渣应达到白渣或黄白渣；根据钢种成分需要喂入适量钛铁线；精炼末期喂纯钙线。
进一步地，连铸异型坯采用套管式保护浇注工艺；二冷采用弱冷；采用合金钢专用保护渣；中间包采用低碳碱性覆盖剂。
进一步地，在轧制工序中，加热炉的均热温度为1250℃～1320℃，开轧温度不低于1160℃，终轧温度不高于850℃，轧材在冷床采用自然冷却+喷水冷却的冷却方式，矫直温度小于100℃。根据本发明的实施例，轧材规格为常用的电气化铁路线杆接触网支柱用热轧h型钢规格，优选地为国标gb/t34199-2017中h390×300×10×16规格。
本发明主要通过微合金化来提高强度，微合金化主要应用铌、钒、钛复合微合金化，异型坯连铸过程采用套管式保护浇注工艺。因此，根据本发明的高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢具有高强度和良好的力学性能，屈服强度≥390mpa，平均为410mpa，-40℃低温冲击韧性≥37j，平均45j，化学成分设计中控制碳当量≤0.43％，完全能够满足高强度、耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢性能要求。另外，根据本发明的方法，在降低生产成本的同时得到了强度提高、冲击韧性良好、易焊接的电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢。
同目前热轧电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢的生产比较，本发明的技术方案的特点在于：
第一，转炉冶炼钢种时，采用硅钙钡、复合脱氧剂脱氧，钢中氧含量小于20ppm，生产出低氧含量的洁净钢。
第二，生产异型坯时采用套管式保护浇铸条件下，提高钢水洁净度，实现恒拉速，提高铸坯质量，生产出高强度、耐低温的铁路接触网支柱用热轧h型钢。
第三，添加微量铌钒钛合金，运用铌、钒、钛的细晶强化和析出强化机理，轧后不需进行热处理，完成高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢的成分设计及生产，降低生产过程的合金成本。
第四，本发明的热轧h型钢综合力学性能良好，屈服强度平均为410mpa、抗拉强度平均为560mpa，断后伸长率平均为26％，-40℃夏比冲击功(纵向)45j，为目前国内强度最高、低温韧性最好的电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢。
具体实施方式
本说明书中公开得任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子而已。所述仅仅是为了帮助理解本发明，不应该视为对本发明的具体限制。
本发明主要针对高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢在成分、冶炼及轧制过程中的问题，提供了一种高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢及其制备方法。根据本发明的方法生产出的热轧h型钢具有良好的力学性能，屈服强度≥390mpa，平均为410mpa，-40℃低温冲击韧性≥37j，平均45j；化学成分设计中控制碳当量≤0.43％，确保了该产品的易焊接性。
本发明主要通过铌钒钛复合微合金化、采用异型坯轧制，连铸过程采用套管式保护浇注工艺，实现高强度、耐低温、易焊接钢材的生产。
下面将详细地描述根据本发明的高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢及其制造方法。
根据本发明的高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢的化学成分的重量百分数为：c0.08％～0.12％、si0.20％～0.50％、mn1.45％～1.60％、p≤0.020％、s≤0.020％、nb0.01～0.03％、v0.05％～0.07％、ti0.006～0.012％，其余为铁和不可避免的微量杂质，控制碳当量≤0.43％。
根据本发明的高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢，同时为了保证钢材的易焊接性，控制碳当量≤0.43％，其化学成分设计采用了低碳+铌钒钛复合微合金化工艺+低p、s控制的设计思路，低碳可以提高钢材的易焊接性；添加微量铌钒钛微合金化元素起到细晶强化和析出强化作用，可有效地提高产品强度，细化晶粒，保证产品具有强度高、耐低温韧性好的性能要求；低p、s控制意在提高钢水纯净度，降低钢中有害夹杂，确保产品的高强度、良好韧性的稳定性。
根据本发明的一个优选实施例，根据本发明的高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢的化学成分的重量百分数优选为：c0.09％～0.12％、si0.25％～0.45％、mn1.50％～1.60％、p≤0.015％、s≤0.015％、nb0.015～0.030％、v0.050％～0.065％、ti0.006～0.010％，其余为铁和不可避免的微量杂质，控制碳当量≤0.42％。
根据本发明，高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢的制备方法包括铁水预脱硫、转炉冶炼(例如120吨顶底复吹转炉冶炼)、lf精炼、近终型异形坯套管式保护连铸、轧制(例如，bd粗轧-tm精轧轧机轧机布置型式生产线轧制)。
具体地讲，根据本发明的方法，铁水脱硫所用脱硫剂由石灰粉、萤石等组成，根据铁水原始硫含量加入脱硫剂量为8～10kg/t，控制脱硫后铁水中的硫含量不超过0.010wt％；
根据本发明的方法，在转炉冶炼工序采用顶底复吹转炉冶炼，造渣方式为单渣法，终渣碱度cao％/sio2％控制在3.0～4.0；渣料于终点前3分钟加完，全程渣子化好、化透，终点压枪时间≥1分钟；采用硅钙钡、复合脱氧剂脱氧，采用中锰、硅锰、钒氮、铌铁进行合金化，当钢水出至1/4时开始均匀加入，钢水出至3/4时加完；放钢后加入合成渣,加入量为8～12kg/t；严格执行挡渣操作，减少下渣量；出钢时间不小于3分钟；钢包采用底吹良好的红净钢包，烘烤温度≥800℃。
根据本发明的方法，在lf精炼工序中，全程底吹氩搅拌；用碳化钙、碳化硅、硅钙钡等调整炉渣，出站前顶渣应达到白渣或黄白渣；根据钢种成分需要喂入适量钛线；精炼末期喂纯钙线。
在lf精炼工序中，全程底吹氩搅拌，前期可根据情况适当调高氩气压力，出站前采用小压力软吹，保证夹杂物上浮，保证精炼软吹氩大于10分钟；根据炉渣的粘度、颜色及泡沫化程度，用碳化钙、碳化硅、硅钙钡等调整炉渣，出站前顶渣应达到白渣或黄白渣；精炼末期喂入钛铁线100～120m，纯钙线80～100m/炉；精炼出站钢中[o]<20ppm。
根据本发明的方法，在连铸工序中，异型坯连铸采用套管式保护浇注工艺，二冷采用弱冷，采用合金钢专用保护渣；中间包采用低碳碱性覆盖剂，加入量1.0～1.8kg/t钢；提高钢水洁净度，同时实现恒拉速浇注，提高铸坯质量。具体地讲，在连铸工序中，二冷采用弱冷，结晶器采用非正弦振动，中间包过热度按15℃～25℃进行控制，中间包采用低碳碱性覆盖剂，覆盖剂的加入量为1.0～1.5kg/t钢。
根据本发明的方法，在轧制工序中，加热炉的均热温度为1250℃～1320℃，开轧温度不低于1160℃，终轧温度不高于850℃，轧材在冷床采用自然冷却+喷水冷却的冷却方式，矫直温度小于100℃，从而得到本发明的高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢。根据本发明的一个实施例，轧材的规格可以为国标gb/t34199-2017中h390×300×10×16。
另外，为了避免使本发明的主题变得模糊，会省略对在此包含的公知技术/工序的详细描述。因此，在本发明的高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢的制备方法中，在此未提及的工序均可采用现有技术。
下面将结合具体实施例对本发明的高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢及其制备方法做进一步说明，然而，本发明不限于此。
实施例1
采用如下的工艺路线制备高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢：铁水预脱硫→转炉冶炼→lf精炼→近终型异形坯保护连铸→bd粗轧-tm精轧轧机布置型式生产线轧制→检验入库。具体的工艺参数参见上文所述。
由实施例制得高强度耐低温电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢的化学成分重量百分比见表1，转炉冶炼过程的参数见表2，连铸过程的参数见表3，所得电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢的轧材力学性能见表4。
表1实施例1的化学成分(wt％)
表2实施例1的转炉冶炼过程参数
表3实施例1的连铸过程参数
表4实施例1所得轧材的力学性能
因此，本发明主要通过低碳+铌钒钛复合微合金化工艺+低p、s控制工艺来实现电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢的高强度、低温韧性好、易焊接等优异性能，钢坯采用异型坯，连铸过程采用套管式保护浇铸。根据本发明的电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢的制备方法采用硅钙钡、复合脱氧剂脱氧，钢中氧含量小于20ppm。因此，根据本发明的方法生产出的电气化铁路接触网支柱用热轧h型钢具有良好的力学性能，屈服强度平均为410mpa、抗拉强度平均为560mpa，断后伸长率平均为26％，-40℃夏比冲击功(纵向)45j。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。